摘要
当前天津开发利用的地热资源主要赋存于浅部孔隙型砂岩热储层，难以长期满足城市建设发展需求，急需探测深部热储来提高地热资源保障能力。天津宁河凸起区位于“坳中凸”独特构造区域，近期新发现了资源禀赋优越的蓟县系雾迷山组热储层。笔者以研究区的 ZK-01井为研究对象，通过对降压试验、地热流体测试、钻孔测温和物探测井等资料进行分析，系统阐明了雾迷山组热储特征及探井参数。主要结果为：①ZK-01井揭露蓟县系雾迷山组热储顶板埋深2270 m，岩性主要为白云岩，孔隙度为0.50%～2.52%，渗透率为0.10～0.35（×10-3 μm2 ），泥质含量4.14%～7.19%；②ZK-01井的井口稳定流温为98.5 ℃，盖层平均地温梯度约为4.92 ℃/100 m ；③ ZK-01井降压试验曲线具有水-汽二相混合特征，地热流体水质较好，出水量100.4 m3 /h，单井供暖潜力约32万 m2 ，为目前区内新发现的高产能地热井。
Abstract
The geothermal resources developed and utilised in Tianjin are mainly located in shallow pore-type sandstone thermal reservoirs currently, which can hardly meet the demand of urban construction and development in the long term, and there is an urgent need to explore the deep thermal reservoirs to improve the capacity of geothermal resources protection. Tianjin Ninghe Bulge Area is located in the unique tectonic region of the "protrusion in depression area", and recently newly discovered thermal reservoirs of the Jixian Wumishan Formation, which has excellent resource endowment. The ZK-01 borehole in the study area is studied in this paper, and through analysing the data of pressure-relief test, geothermal fluid test, borehole temperature measurement and physical sounding wells, the characteristics of the thermal reservoir of the Wumushan Formation and the parameters of the exploratory wells are systematically elucidated. The main results are as follows: ①ZK-01 borehole exposes the thermal storage top plate of the Jixian Wumishan Formation at a depth of 2270 m, with lithology mainly dolomite, porosity of 0.50% -2.52%, permeability of 0.10-0.35(×10-3 μm2 ), and mud content of 4.14%-7.19%; ②The stable flow temperature of the wellhead of the ZK-01 well is 98.5 ℃, and the average geothermal gradient of the cap layer is about 4.92 ℃/ 100 m; ③ZK-01 borehole buckling test curve has the characteristics of water-vapour two-phase mixing, good quality of the geothermal fluid water, 100.4 m3 /h of water output, and the heating potential of a single well is about 320000 m2 , which is a newly discovered high-yield geothermal well in the study area.
0 引言
地热资源作为中国重要的新型清洁能源，对改善中国能源结构、促进生态文明建设以及“双碳”目标的实现发挥了重要作用（陈墨香等，1990；王贵玲和蔺文静，2020；赵鑫鑫等，2022；王瑞鹏等，2024）。天津地热资源丰富，目前开发利用的地热资源主要赋存于浅部孔隙型砂岩热储层，且开发利用程度较高。深部已开发的雾迷山组岩溶裂隙型热储大部分位于沧县隆起区的次级凸起区（简称“隆中凸”） 构造区域，前人认为天津静海新城区和宝坻周良庄 “隆中凸”构造区均为属于热传导型的地热成因（庞海等，2010；杨永江等，2010）；杨吉龙等（2018）认为沧东断裂附近深部热能以热对流形式向浅部传导； 岳冬冬等（2020）认为沧县隆起的山岭子雾迷山组地热流体水化学成因主要为混合、碳酸盐溶解、阳离子交替吸附等作用；段和肖等（2023）获取了沧县隆起中部献县地热田的大地热流值为 70.58 mW/ m2；黄旭等（2021）认为沧县隆起的地热田是形成于渤海湾盆地新生代伸展断陷背景下的受深大断裂控制的传导型地热田。
因此，沧县隆起的地热研究程度相对较高，对热水的来源和成因有了一定认识，而冀中坳陷或黄骅坳陷的次级凸起区（简称“坳中凸”）构造区域的地热资源勘查和研究程度较低，基本属于空白区。
研究区位于天津宁河黄骅坳陷的次级凸起（图1a），区内目前地热资源勘查开发利用的主要是深度 1200 m以浅的孔隙型砂岩热储，可开发利用的地热资源主要为新近系明化镇组和馆陶组（毛翔等， 2021），但未涉及碳酸盐热储雾迷山组储层。因此，探测研究区里深部雾迷山组热储特征及其研究相关参数，对拓展深部岩溶热储第二空间，助力京津冀地区绿色低碳发展具有重要意义。
1 研究区概况
1.1 构造特征
研究区构造总体为半地堑构造格局（李三忠等，2010；翟明国，2010），北以宁河—宝坻断裂为界，西以沧东断裂为界，南以汉沽断裂为界。区内地质构造复杂，经历了印支期地台稳定发育阶段和南北向挤压褶皱作用，燕山早期北西、南东向挤压逆冲作用，燕山中晚期断裂、块断活动作用、古近纪强烈断陷及新近纪拗陷作用等一系列构造演化期，形成了系列背斜、向斜构造格局。汉沽断裂为区内主要断裂构造，其走向北西西，倾向南南西，倾角为 40°～70°，为北盘相对上升的正断层，基岩地层落差 1000 m 左右，总体表现为左旋走滑、兼垂直拉张运动（漆家福等，2003；汤良杰等，2008）；断裂构造是深部地热对流及传导至基底以上地层的通道（王贵玲等，2004；赵苏民等，2012；唐永香等，2020）；结合前人的研究认识，本文认为该断裂对深部热储层的赋存具有重要作用，为该地区地热资源的形成提供了导水导热通道。
1.2 地层特征
受构造演化影响，研究区地层分布被断裂切割形成一系列不连续北东向展布的褶皱，区内地层分布具有受断层控制、分割性强、岩性变化大等特点 （肖敦清等，2011；闫成国等，2014；李世斌等， 2015）。区内已有钻孔揭露自上而下钻遇的地层：第四系、新近系（明化镇组和馆陶组）、古近系（沙河街组）、石炭系—二叠系、寒武系、青白口系（景儿峪组和龙山组）和蓟县系雾迷山组。其中，寒武系、青白口系、蓟县系雾迷山组在区内普遍分布，埋深大部分超过4000 m（图1b），蓟县系雾迷山组为研究区新发现的热储层。
1.3 地温场特征
研究区地温场展布特征主要受区内构造格局、基岩埋藏及水文地质条件等方面的制约。区内地温梯度较高，介于 2.5～5.0℃/100 m（唐永香等， 2024）。在同一深度上断裂构造和凸起部位的地温高于凹陷部位，主要受汉沽断裂控制，与基岩起伏呈正向相关，具有由桥沽和看财庄两处地热异常中心向四周呈辐射状逐渐降低的特征。
2 深部热储综合探测方法
研究区为深部地热勘查空白区，为了深入分析区内地质构造、地层和地热储层空间展布情况，本研究基于 MT 大地电磁、地球物理测井和勘探钻井等综合方法进行分析。
2.1 MT地球物理探测
研究区开展了大地电磁测深工作，建立了 10 km 以浅三维导电性结构模型（图2），结合区域重、磁资料综合分析了汉沽断裂、F1断裂和 F2断裂的空间展布特征（胥博文等，2018），断裂构造控制古近系地层沉积，为研究区深部地热资源的形成提供了导水导热通道。断裂构造发育格局控制了深部地热资源的形成，是深部热流向上运移的重要通道 （唐永香等，2023）。
2.2 地球物理测井
ZK-01勘探井钻探施工阶段及结束后共进行 5 次物探测井工作，测井项目包括：连续测温、井斜测井、电阻率测井、自然电位测井、声波时差测井等，该井雾迷山组出水层测井解释成果见表1。
图1研究区大地构造位置图（a）与基岩地质构造及顶板埋深图（b）
图2研究区不同深度MT三维反演水平切片及地质解译
a—埋深2 km；b—埋深4 km；c—埋深6 km
表1ZK-01井测井解释成果
2.3 地热勘探钻井
前期研究区的地热勘探井勘探深度 600～1200 m，出水温度为 46～70℃，为浅部孔隙型砂岩热储层。研究区施工的 ZK-01 地热勘探井为地热地质勘探孔，勘探井位置见图1。井深结构见图3a，一开采用 Φ444.5 mm 三牙轮钻头，预水化膨润土泥浆钻进防塌，钻至井深 456.95 m 完钻；二开采用 Φ311.2 mm 三牙轮、PDC 钻头，低固相聚合物泥浆体系钻进，钻进至井深 1639.35 m 完钻；三开采用 Φ215.9 mm 三牙轮、PDC 钻头，清水钻进，钻进至井深 2145.96 m 完钻；四开采用 Φ152.4 mm 三牙轮、PDC 钻头，清水钻进至井深2300 m终孔。目前研究区仅 ZK-01 井勘探深度达 2300 m，钻遇雾迷山组顶板 2270 m，揭露厚度为 30 m（未穿）。本次新发现深部岩溶裂隙型蓟县系雾迷山组热储，出水温度为 98.5℃，钻遇的地层由新到老有：第四系、新近系（明化镇组和馆陶组）、古近系（沙河街组）、寒武系、青白口系（景儿峪组和龙山组）和蓟县系雾迷山组（图3b）。
图3ZK-01井实际井身结构示意图（a）及地层柱状图（b）
2.4 勘探井降压试验
按照《地热资源地质勘查规范（GB/T11615-2010）》，采用 YQSR200-63kW 型号潜水泵，泵头下入深度110 m，测得静水位埋深33.16 m，对应液面温度35.6℃，进行了3组降压试验。第一落程（大落程 S3）：历时 215 h，恢复水位 17.5 h，稳定时间 37 h，出水量 100.4 m3 /h，单位涌水量 1.89 m3 /h·m，渗透系数 2.11 m/d，导水系数 63.3 m2 /d，抽水影响半径 792.15 m。第二落程（中落程S2）：历时30 h，稳定时间23 h，出水量 73.7 m3 /h，单位涌水量 2.26 m3 /h·m，渗透系数 2.26 m/d，导水系数 75.9 m2 /d，抽水影响半径 519.75 m。第三落程（小落程 S3）历时 25 h，稳定时间 20 h，出水量 47.3 m3 /h，单位涌水量 3.89 m3 /h·m，渗透系数 3.99 m/d，导水系数 119.7 m2 /d，抽水影响半径 243.24 m（表2）。取大落程试验数据计算结果，则该井单位涌水量为 1.89 m3 /h·m，渗透系数为 2.11 m/d，导水系数为63.3 m2 /d。
表2ZK-01井降压试验数据
3 结果分析与讨论
3.1 雾迷山组热储特征
ZK-01井是宁河凸起范围内唯一的一口钻遇蓟县系雾迷山组的地热井，揭露岩性为灰色、灰褐色、灰黑色白云岩，含灰质白云岩、深灰色、灰黑色燧石条带。钻井在进入雾迷山组发生泥浆漏失，一直大漏不返浆，泥浆只进不出。热储层孔隙度为 0.50%～2.52%，渗透率为 0.10×10-3～0.35×10-3 μm2，泥质含量 4.14%～7.19%，富水性较好，水化学类型为 SO4·HCO3-Na 型，矿化度为 1119.8 mg/L，总碱度为 340.3 mg/L，pH 值为 7.72，属中性水，为非腐蚀性水，碳酸钙垢结垢轻微、没有生成硫酸钙垢以及硅酸盐垢的趋势。
根据 ZK-01 地热井降压试验 Q-S 曲线近似直线，数据回归分析 R2 为 0.99，表明该热储层的富水性及补给条件较好，且保持稳定（图4）。该井最大特点是：成井后自流，自流结束后，抽水开始瞬间井内水位骤降骤升，随后逐渐稳定。
总之，研究区蓟县系雾迷山组热储层的热储温度高，渗透性好，出水量大，埋藏相对较浅。其分布具有从北向南、从主脊向东西两翼深度逐渐增加的趋势，热储层产状受断裂与构造控制明显。
图4ZK-01地热井Q-s曲线
3.2 雾迷山组地温特征
桥沽地热异常区盖层平均地温梯度 3.5～6.0℃/100 m，其中高值区最高达 5.8℃/100 m，ZK-01勘探井位于该异常区的核心区，发现该区基岩地层年代较老，新生代地层直接覆盖于中新元古代地层之上，地温梯度值为4.92℃/100 m；看财庄地热异常区盖层平均地温梯度 3.5～5.5℃/100 m，其中高值区最高达5.2℃/100 m（唐永香等，2024）。
勘探井成井静止半年后每间隔 1 个月进行了 3 次连续测温，整理分析该井连续测温数据绘制了曲线图（图5），从曲线形态上看，总体上地层温度与埋深呈正向相关，而不同层段温度增长的速率由浅至深逐渐减小（图5右红色直线标示），由于地层随着埋深的增大，地层具有成岩性较好、较致密，热导率较高的特征，从而地温梯度则相对逐渐减小。另外地层温度局部还受构造断裂和地下水活动的影响，在2090 m左右寒武系地层中钻遇断裂，导致了地层温度的一个局部变化，幅度在1℃左右；但该裂隙段不是含水层，因此地温梯度变化幅度不大。因此，研究区的地层温度总体上呈现随深度近似直线增加趋势，显示了其热传输机制以热传导型为主，侧向对流的影响较小。
另外，由于测温时间间隔较近，温度曲线基本重合，说明井液与地层之间的温度平衡是个长时间的过程，短时间内温度恢复不明显。将测温曲线放大可发现，在上段，随着稳定时间变长，井液温度降低，说明该段地层温度仍处于恢复阶段，随着恢复时间的增长，最终达到稳定状态；下部（至井底）地层温度看不出明显变化，是因为该段地层临近出水段，对流扰动作用强烈，地层温度主要受流体运移影响，一般不容易变化。
3.3 单井供暖潜力评价
地热井出水温度 98.5℃，出水量 100.4 m3 /h，二次侧设计参数（45℃/35℃），梯级使用，地热尾水回灌温度可降至 10℃，热泵机组 COP 按 4.7 估算。据式（1）估算该单井一级供热能力，据式（2）估算该单井二级供热能力：
(1)
(2)
式（1）、（2）中：Qd1—一级地热供热能力（kW）； Qd2—二级地热供热能力（kW）；G—地热井设计出水量（100.4 m3 /h）；ρ—水的密度（958.1 kg/m3）；C—地热流体比热容（4.1868 kJ/（kg•℃））；tg—地热井出水温度（98.5℃）；th1—地热流体一级利用后的尾水温度（37℃）；th2—地热流体二级利用后的尾水温度 （10℃）；COP—热泵制热系数（取值4.7）。
经计算，地热井一级供热能力为 6880.17 kW，二级供热能力为 3836.93 kW。综上所述，单井供热能力为 10717.1 kW，热指标取 35 W/m2（按照城市热力网设计规范、天津市节能设计标准和同类项目经验），可满足30.62万 m2 住宅建筑冬季采暖需求。
3.4 研究区高产能探井的地质条件分析
研究区处于黄骅凹陷次级构造宁河凸起，目前仅有 ZK-01深部勘探井，并且取得了储层、水量、温度的突破。分析原因主要有两个方面：
（1）高热流背景。中生代末期整个华北断陷区受燕山运动以来华北地幔亚热柱的作用，同时发生的玄武岩浆喷发和基性岩脉的侵入，造成了在某些局部隆起区、堑垒边界密集断裂带以及侵入岩底劈上侵的岩浆岩上部发育为地热异常区，桥沽地热异常区盖层平均地温梯度3.5～6.0℃/100 m，ZK-01井位于该异常区的核心区，据计算地温梯度值为 4.92℃/100 m。
（2）断裂构造的导热作用。以往常认为断裂构造的控热作用主要发生在隆起山地基岩出露地区，裂谷型断陷盆地以均匀的热传导为主。ZK-01井位于北东向沧东断裂以东约2 km，东西向汉沽断裂以北约0.1 km，属于构造断裂交汇区域，两个断裂属于正断层且均切穿基底，具备断裂构造深部导热的形成条件（图6）。
图6研究区基岩埋深与断裂构造分布特征
4 结论与建议
4.1 结论
笔者以位于“坳中凸”区域的 ZK-01 井为研究对象，通过成井后降压试验、连续测温和流体水样测试等分析研究雾迷山组热储的特征、温度变化特征及主要热储参数等，为寻找高品质地热资源提供了依据。主要取得以下结论：
（1）宁河凸起基岩埋深较浅，温度较高，水量大。ZK-01 井揭露深部岩溶裂隙蓟县系雾迷山组，顶板埋深2270 m，揭露厚度30 m。
（2）雾迷山组热储潜力较大，温度和水量均可观，井口出水温度 98.5℃。出水量 100.4 m3 /h，单位涌水量 1.89 m3 /h，将成为未来宁河凸起区的一主力热储层。
（3）ZK-01 井成井后自喷，降压试验水量 100.4 m3 /h，水位降深约 28 m，单井供暖能力可达 38.5 万 m2，为目前发现的天津范围内黄骅坳陷区产能最大地热井。
4.2 建议
建议加强地热开发利用过程中对水量、水质、水温的长期动态监测，形成年度评价机制和预测预警机制，每年对区域地热资源条件以及可供暖面积进行评价。同时结合能源站布设和需求情况，形成长期动态调整机制，保障热储平衡。
致谢 感谢“滨海新区深部地热调查评价”项目组同志在野外数据采集和图件编制方面提供的大力支持。